近日，南科大深港微電子學院院長於洪宇教授團隊在AlGaN/GaN HEMT器件研究中取得系列進展，相關成果分別在國際微電子器件權威期刊IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices以及IOP Semiconductor Science and Technology 線上發表。
AlGaN/GaN合金歐姆接觸新途徑
團隊發表在IEEE Electron Device Letters上的論文題目為“利用鈦鋁合金金屬作為無金歐姆接觸電極以實現在無溝槽刻蝕鋁鎵氮/氮化鎵上的超低歐姆接觸值<0.1歐姆·毫米（Au-free TiAI Alloy Contacts on Non-Recessed i-AIGaN/GaN Structure with Ultra-Low Contact Resistivity）”。該文章被期刊編輯評價為“對於該領域有重大貢獻”，並被遴選為當期封面文章。
AlGaN/GaN HEMT器件具有較高的電子遷移率二維電子氣2DEG，在射頻以及功率器件中有極大的應用前景。由於降低金屬半導體的歐姆接觸電阻對降低器件源漏電極寄生電阻起到關鍵作用，直接影響到器件的源漏輸出電流、導通電阻、擊穿電壓等性能參數，高質量的低歐姆接觸在AlGaN/GaN射頻器件的開發中尤為重要。
於洪宇課題組訪問學生範夢雅介紹，傳統的Ti/Al多層膜常被應用到無金歐姆接觸工藝中，但目前常見的源漏極刻蝕或離子植入等降低歐姆接觸電阻大小的工藝皆有複雜、難以控制的缺點。課題組創新性地提出使用TixAly合金金屬層作為歐姆接觸金屬材料，可以實現在無刻蝕凹槽工藝條件下的低歐姆基礎（小於0.1Ω∙mm），能夠滿足射頻、功率器件等的歐姆接觸要求。
AlGaN/GaN-TixAly合金歐姆接觸的電學特性
課題組經過CTLM電學測試發現，TiAl合金的歐姆接觸在退火後可達到0.063Ω∙mm的接觸電阻值。TEM-EDX元素分析表徵進一步驗證了Ti對N的萃取作用以及不同Ti/Al原子比對最終歐姆特性的影響體現。
範夢雅介紹，不同於傳統雙層Ti/Al電極，本工作提出新穎的Ti/Al合金濺射靶材製備歐姆接觸電極，無須額外工藝步驟。目前該項技術已申請專利，若應用於射頻功率放大器器件，可望提高器件增益與截止頻率。本工作為AlGaN/GaN合金歐姆接觸開闢了一條新途徑。
範夢雅為論文第一作者，於洪宇為論文通訊作者，南科大為論文第一通訊單位。
利用石墨烯解決柵極可靠性問題
團隊發表在IEEE Transactions on Electron Devices上的論文題目為“利用石墨烯作為柵極以減小p-GaN柵高電子遷移率晶體管的柵極漏電並增加擊穿電壓（Gate Leakage Suppression and Breakdown Voltage Enhancement in p-GaN HEMTs using Metal/Graphene Gates）”。
對於HEMT功率器件來說，p-GaN柵極HEMT器件結構是目前被認為最有希望作為商業化應用的方案。不過，仍然有一些問題亟待解決，如增加閾值電壓、降低柵極漏電流、提高柵極擊穿電壓等。於洪宇課題組2017級南科大-英屬哥倫比亞大學聯培博士生周廣楠介紹，閘極漏電與閘極工作電壓對應用於電源開關的氮化鎵HEMT器件尤為重要，能夠影響電源系統功率損耗與輸出功率。解決此項問題對於p-GaN柵極HEMT器件的商業化應用有重要的意義。
石墨烯具有許多傳統半導體所沒有的優越性能。石墨烯與GaN的結合使用有望在功率器件、射頻器件和探測器件等方面產生革新性和突破性的成果。目前，國際上對於石墨烯與GaN的結合使用研究仍處在初步階段。課題組提出將石墨烯應用到p-GaN柵極HEMT器件中，在p-GaN柵極上插入石墨烯作為柵極金屬材料，可以有效降低柵極漏電電流，增加柵極擊穿電壓，解決目前柵極可靠性的問題。目前該項技術已申請專利。
加入石墨烯和未加石墨烯的p-GaN柵極HEMT器件的電學特性的對比
電學測試表明，在p-GaN柵極HEMT器件中加入石墨烯可以使關態柵極漏電降至原先的約50分之一，增加閾值電壓0.3V，增加源漏ION/IOFF一個數量級，提高源漏飽和電流約20%。通過進一步對不同樣品的TEM表徵、EDX元素分析，課題組發現石墨烯可以有效減小金屬/p-GaN之間的擴散或反應，避免TiN或空位的形成，維持界面處穩定和均勻性。通過變溫測量的方法，課題組提取出柵極金屬/p-GaN之間的肖特基勢壘，發現加入石墨烯可以降低柵極漏電、增加柵極擊穿電壓。
周廣楠介紹，石墨烯在半導體領域有接口修飾效果，該工作創新使用石墨烯當作柵極金屬與P型氮化鎵柵極的中間層，有效防止金屬與半導體的接面反應因此減少缺陷，有效抑制柵極漏電並提高最高閘極工作電壓，並實現高柵極工作電壓，對p-GaN柵極HEMT器件相關研究有著重要的意義。
周廣楠為該論文第一作者，於洪宇為論文通訊作者，南科大為論文第一通訊單位。
創新工藝有望實現常關型射頻器件
團隊發表在IOP Semiconductor Science and Technology上的論文題目為“利用雙層應力層增進氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率器件的開啟電壓與降低器件漏電流（Increasing Threshold Voltage and Reducing Leakage of AIGaN/GaN HEMTs Using Dual-Layer SiNx Stressors）”。
於洪宇課題組2017級南科大-港科大聯培博士生鄭韋志介紹，AlGaN/GaN HMET射頻器件有一原生的電子信道，為一常開器件，不利於射頻功率放大器電路設計與安全性。如果器件能夠實現常關特性，則射頻功率放大器電路可因此簡化。然而，目前常見實現器件常關特性工藝需要對半導體層進行刻蝕，而刻蝕工藝會對器件引入缺陷，降低器件特性，因此市面上的常關型AlGaN/GaN HMET射頻器件非常少見。
具雙層強應力SiNx鈍化層器件的增益與高頻特性
當施加應力於壓電材料GaN上時，材料內會同時產生一個內建電場。該壓電特性提供了調製HEMT開啟電壓的可能性。利用這項壓電特性，課題組使用具有高應力的氮化硅膜層對器件閘極區域施加壓應力，成功將器件開啟電壓提高1 V。因為製備高應力氮化硅膜層的操作會對半導體層造成離子轟擊，課題組創新採用雙層氮化硅鈍化膜層保護半導體表面，結果顯示提升器件開啟電壓的同時，沒有器件直流與射頻增益、截止頻率或開啟電流等其他器件特性降低。這項技術能夠在沒有可見的器件損害下提升開啟電壓。
此外，課題組也發現，器件閘極在施加壓應力可抑制反向偏壓電流，根據TCAD仿真發現應力所轉換的AlGaN內部電場抵銷原來器件因極化造成的AlGaN內建電場，抑制了器件閘極在反向偏壓下的電子穿隧，因此抑制漏電流。鄭韋志介紹，相關研究與優化正在進行中，未來可望藉助該工藝實現常關型射頻器件。
鄭韋志為論文第一作者，於洪宇為論文通訊作者，南科大為論文第一通訊單位。
論文鏈接：
（一）https://ieeexplore.ieee.org/document/8897034
（二）https://ieeexplore.ieee.xilesou.top/abstract/document/8995788
（三）https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/ab73ea
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